JP2013033576A - 対物レンズ素子、光ピックアップ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】形状の異なる複数種類の回折構造を用いて使用波長の異なる光情報記録媒体に対する互換性を確保しつつ、光源波長の誤差が生じた場合でも収差の発生を抑制できる対物レンズ素子及びこれを用いた光ピックアップ装置を提供する。
【解決手段】内周部Ｒ２１と外周部Ｒ２２とには、高さ及び周期（ピッチ）が異なる鋸歯状回折構造が設けられている。内周部Ｒ２１に設けられる鋸歯状回折構造の凹凸の中間レベルを通過する曲面Ｍ２１１と、外周部Ｒ２２に設けられる鋸歯状回折構造の凹凸の中間レベルを通過する曲面Ｍ２１２とが段差なく接続されている。光源波長の変化や環境温度変化に起因する材料屈折が変化しても、内周部Ｒ２１と外周部Ｒ２２とで位相のずれは発生せず、光源波長や環境温度が変化した場合でも、回折効率の低下や収差の発生を抑制することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、光情報記録媒体の情報記録面に対して、情報の記録・再生・消去の少なくとも１つを行うために用いられる対物レンズ素子及びこれを用いた光ピックアップ装置に関する。

近年、波長４００ｎｍ近傍の青色レーザー光を用いて、光ディスクの記録密度を高め、記憶容量を向上させた高密度光ディスクの研究・開発が活発に行われている。このような高密度光ディスクの規格の１つに、対物レンズの像側開口数（ＮＡ）を０．８５程度、光ディスクの情報記録面上の保護基板厚を約０．１ｍｍとしたＢｌｕ−Ｒａｙ Ｄｉｓｃ（登録商標。以下、「ＢＤ」という）がある。

ＢＤの他にも、波長６８０ｎｍ近傍の赤色レーザー光を用いるＤＶＤ（保護基板厚：約０．６ｍｍ）と、波長７８０ｎｍ近傍の赤外レーザー光を用いるＣＤ（保護基板厚：約１．２ｍｍ）も併存しており、これらの３種類の規格を互換できる対物レンズが種々提案されている。

例えば、特許文献１には、ＢＤ、ＤＶＤ、ＣＤの３種類の規格に互換性のある光学素子及び光ピックアップ装置が開示されている。特許文献１に記載の対物レンズには、階段状の段差を周期的に配置してなる階段状回折構造（バイナリ型回折構造ともいう）が設けられている。この段差１段分の高さは、最も短い設計波長の光に対して約１．２５波長の光路差を与えるように設計されている。また、半径方向に連続する４つの段差（ベース面からの高さが単位段差の０〜３倍）によって、１つの周期構造が構成されている。

このような段差構造を設けることによって、ＢＤ用の波長の光の使用時には、＋１次回折光の回折効率を最大とし、ＤＶＤの波長の光の使用時には、−１次回折光の回折効率を最大とすることができる。したがって、波長に対する回折角の変化を利用して、ＢＤとＤＶＤとの切替時に、波長及びディスク基材厚の違いに起因して発生する球面収差を補正することが可能となる。

また、特許文献２には、複数の規格に互換性のある光学素子であって、深さの異なる鋸歯状回折構造を設けた構成が開示されている。

図２０は、特許文献２に記載の従来の鋸歯状回折構造の要部断面図である。

特許文献２では、外周領域の回折次数（回折角度）を大きくするため、外周側の領域Ｒ２２に設けた鋸歯状回折構造の周期（ピッチ）ＰＢ及び深さＨＢが、内周側の領域Ｒ２１に設けた鋸歯状回折構造の周期（ピッチ）ＰＡ及び深さＨＡの２倍となるように設定されている。

特許第３９９３８７０号公報 特開２００５−２４３１５１号公報

特許文献２に記載のように、領域毎に回折構造の形状を異ならせた構成において、各領域で回折される光を１点に収束させるためには、隣接する領域の境界の内外を通過する光の位相を一致させることが必要である。

しかしながら、特許文献２の構成では、設計波長または材料屈折率が変化した場合に、領域Ｒ２１で回折される光と領域Ｒ２２で回折される光との間で位相の不整合が生じるという問題がある。

より詳細に説明すると、特許文献２の構成では、外周側の領域Ｒ２２に設けた格子高さ及び周期を、内周側の領域Ｒ２１に設けた格子の格子高さ及び周期の２倍に設定しているが、領域Ｒ２１による回折方向と、領域Ｒ２２による回折方向とは一致している。この場合において、境界近傍にある点Ｃ２１を透過した光の位相と、境界近傍にある点Ｃ２２を透過した光の位相とが一致するのは、格子高さＨＡによって生じる光路長差が波長の整数倍、言い換えると、位相差が２πの整数倍になっているときである。

ただし、光ディスク装置のような大量生産される製品の場合、光源として用いる半導体レーザーの波長には、数ｎｍの不可避のバラツキが生じる。また、動作環境温度の違いによっても、波長の変化が生じる。使用波長が設計中心からずれている場合でも、回折方向は、格子ピッチと波長との関係で決まる。したがって、各領域による回折方向は同じであり、領域間で回折方向の不整合は起こらないが、位相の一致は保持されない。

ここで、図２０において、回折構造の上面が出射面であり、かつ、この回折構造に対して図２０の下側から位相の揃った光が入射する場合を想定する。図２０に示したベース面ＢＡ上では光の位相が揃っている。屈折率が空気とは異なる硝材中を、ベース面ＢＡを越えて図の上方に向かって光が進むと、鋸歯形状の回折格子の影響によって、空気中を進む光との位相差が発生する。図２０に示した点Ｃ２０〜Ｃ２２の範囲を通過する光について考えると、点Ｃ２０を通過した光は、ベース面ＢＡを越えてすぐに空気中に出射されるため、位相差は生じない。一方、点Ｃ２０〜Ｃ２２の範囲内では、点Ｃ２２より僅かに内周側の点Ｃ２１を通過する光が、ベース面ＢＡを越えた後に硝材中で最も長い距離を進む。したがって、点Ｃ２１を通過した光は、空気中を進む場合と比べて、位相差が最大となる。この位相差は、波長に比例して変化するが、点Ｃ２０〜Ｃ２２の範囲内では、点Ｃ２１を通過する光の位相差の変化量が最大となる。回折光の位相変化量は、点Ｃ２０〜Ｃ２２の範囲の平均によって表すことができ、領域Ｒ２１の回折構造が入射光に与える位相差は、図２０に示したラインＭ２１１（領域Ｒ２１の鋸歯の振幅の中心線）まで硝材がある場合と等しい。同様に、外周側の領域Ｒ２２の回折構造が入射光に与える位相差は、図２０のラインＭ２１２（領域Ｒ２２の鋸歯の振幅の中心線）まで硝材がある場合の位相差と等しい。

図２０のラインＭ２１１に平均的な出射面があるとみなした場合の出射光の位相差と、ラインＭ２１２に平均的な出射面があるとみなした場合の出射光の位相差とは同一ではないので、入射光の波長が変化した場合の位相変化量は、領域Ｒ２１とＲ２２とで異なる。したがって、入射光の波長が変化した場合、領域Ｒ２１による回折光と領域Ｒ２２による回折光とで、回折方向は共通するが、互いに位相のずれが生じるため、回折効率の低下に繋がる。更に、領域Ｒ２１を通過した光と、領域Ｒ２２を通過した光とを集光すると、収差が発生するという問題がある。

このように、従来技術では、領域毎に形状の異なる回折構造を設けた対物レンズは提案されているものの、各領域で回折された光を収束させた場合に、光源波長の誤差に起因して生じる位相のずれまでは設計上考慮されていなかった。

それ故に、本発明は、形状の異なる複数種類の回折構造を用いて使用波長の異なる光情報記録媒体に対する互換性を確保しつつ、光源波長の誤差が生じた場合でも収差の発生を抑制できる対物レンズ素子及びこれを用いた光ピックアップ装置を提供することを目的とする。

本発明は、入射側及び出射側に光学機能面を備え、波長λ₁の第１の入射光束を、基板厚ｔ₁を持つ基板を介して集光しスポットを形成するとともに、波長λ₁より長い波長λ₂の第２の入射光束を、基板厚ｔ₁より大きい基板厚ｔ₂を持つ基板を介して集光しスポットを形成する対物レンズ素子に関する。この対物レンズ素子において、光学機能面のうち少なくとも一方は、回転対称軸を含み実質的にスポット形成に寄与する第１及び第２の入射光束のいずれもが透過する内周部と、内周部を囲む輪帯状領域であって実質的にスポット形成に寄与する第１の入射光束のみが透過する外周部とに分割されている。

上記の対物レンズ素子において、内周部及び外周部には、複数の鋸歯状回折構造が設けられる。内周部と外周部との境界近傍において、内周部に形成される鋸歯状回折構造の凹凸の中間レベルを通過する曲面と、外周部に形成される鋸歯状回折構造の凹凸の中間レベルを通過する曲面とのレベル差Δｄが以下の条件を満足する。
Δｄ＝a×λ₁／（ｎ₁―１）
ここで、
a：整数、
ｎ₁：波長λ₁の光に対する対物レンズ素子形成材料の屈折率
である。

あるいは、上記の対物レンズ素子において、内周部には、複数の階段状回折構造が設けられ、外周部には、複数の鋸歯状回折構造が設けられても良い。この場合、内周部と外周部との境界近傍において、内周部に形成される階段状回折構造の凹凸の中間レベルを通過する曲面と、外周部に形成される鋸歯状回折構造の凹凸の中間レベルを通過する曲面とのレベル差Δｄが上記の条件を満足する。

あるいは、上記の対物レンズ素子において、内周部には、複数の階段状回折構造が設けられ、外周部には、内周部とは異なる複数の階段状回折構造が設けられても良い。この場合、上記の対物レンズ素子において、内周部と外周部との境界近傍において、内周部に形成される階段状回折構造の凹凸の中間レベルを通過する曲面と、外周部に形成される階段状回折構造の凹凸の中間レベルを通過する曲面とのレベル差Δｄが上記の条件を満足する。

また、本発明は、入射側及び出射側に光学機能面を備え、波長λ₁の第１の入射光束を、基板厚ｔ₁を持つ基板を介して集光しスポットを形成するとともに、波長λ₁より長い波長λ₂の第２の入射光束を、基板厚ｔ₁より大きい基板厚ｔ₂を持つ基板を介して集光しスポットを形成し、更に、波長λ₃の第３の入射光束を、基板厚ｔ₃を持つ基板を介して集光しスポットを形成するする対物レンズ素子に関する。この対物レンズ素子において、光学機能面のうち少なくとも一方は、回転対称軸を含み実質的にスポット形成に寄与する第１〜第３の入射光束のいずれもが透過する内周部と、内周部を囲む輪帯状領域であって実質的にスポット形成に寄与する第１及び第２の入射光束のみが透過する中間部と、中間部を囲む輪帯状領域であって実質的にスポット形成に寄与する第１の入射光束のみが透過する外周部とに分割されている。

この対物レンズ素子において、内周部には、複数の階段状回折構造が設けられ、中間部には、内周部とは異なる階段状回折構造が設けられ、外周部には、複数の鋸歯状回折構造が設けられる。この場合、内周部と中間部との境界近傍において、内周部に形成される階段状回折構造の凹凸の中間レベルを通過する曲面と、中間部に形成される階段状回折構造の凹凸の中間レベルを通過する曲面とのレベル差Δｄ₁と、内周部と中間部との境界近傍において、中間部に形成される階段状回折構造の凹凸の中間レベルを通過する曲面と、外周部に形成される鋸歯状回折構造の凹凸の中間レベルを通過する曲面とのレベル差Δｄ₂とが、以下の条件を満足する。
Δｄ₁＝ａ×λ₁／（ｎ₁―１）
Δｄ₁＝ｂ×λ₂／（ｎ₂―１）
Δｄ₂＝ｃ×λ₁／（ｎ₁―１）
ここで、
ａ：整数、
ｂ：整数（ただし、ｂは、ａ×λ₁／λ₂に最も近い整数である）、
ｃ：整数、
ｎ₁：波長λ₁の光に対する対物レンズ素子形成材料の屈折率、
ｎ₂：波長λ₂の光に対する対物レンズ素子形成材料の屈折率
である。

また、本発明は、波長λ₁の光束を出射する第１の光源と、波長λ₂の光束を出射する第２の光源と、上記のいずれかの構成の対物レンズ素子と、光ディスクの情報記録媒体によって反射された光を検出する検出素子とを備えた光ピックアップ装置に関する。

本発明によれば、使用波長の異なる光情報記録媒体の規格に互換性があり、かつ、光源波長の誤差が生じた場合でも収差の発生を抑制することが可能な対物レンズ素子及びこれを用いた光ピックアップ装置を実現できる。

実施の形態１に係る対物レンズ素子に設けられる鋸歯状回折構造の要部断面図 実施の形態２に係る対物レンズ素子の概略構成図 図２に示される対物レンズ素子の内周部に設けられる階段状回折構造の説明図 図２に示される対物レンズ素子の内周部と外周部の境界近傍に設けられた回折構造を示す図 実施の形態２の変形例を示す図 実施の形態２に係る対物レンズ素子に設けられる回折構造のピッチ及び深さの説明図 実施の形態２に係る対物レンズ素子を備える光ピックアップ装置の概略構成図 実施の形態３係る対物レンズ素子の概略構成 図７に示される対物レンズ素子の内周部に設けられる階段状回折構造の説明図 図７に示される対物レンズ素子の内周部と中間部の境界近傍に設けられた回折構造を 実施の形態３の変形例を示す図 実施の形態３に係る対物レンズ素子に設けられる回折構造のピッチ及び深さの説明図 実施の形態３に係る対物レンズ素子を備える光ピックアップ装置の概略構成図 数値実施例１に係る対物レンズ素子の光路図 数値実施例１に係る対物レンズ素子に平行光が入射した場合の球面収差を示すグラフ 数値実施例１に係る対物レンズ素子に平行光が入射した場合の正弦条件を示すグラフ 数値実施例２に係る対物レンズ素子の光路図 数値実施例２に係る対物レンズ素子に平行光が入射した場合の球面収差を示すグラフ 数値実施例２に係る対物レンズ素子に平行光が入射した場合の正弦条件を示すグラフ 従来の鋸歯状回折構造の要部断面図

（実施の形態１）
図１は、実施の形態１に係る対物レンズ素子に設けられる鋸歯状回折構造の要部断面図である。

図１に示される鋸歯状回折構造は、波長の異なる光を用いる複数の光情報記録媒体の規格に対して互換性を確保するためのものであり、対物レンズ素子の入射側または出射側の光学機能面に設けられる。鋸歯状回折構造が設けられる光学機能面は、回転対称軸（光軸）を含む内周部Ｒ２１と、内周部Ｒ２１を取り囲む輪帯状領域である外周部Ｒ２２とに分割されている。内周部Ｒ２１と外周部Ｒ２２とには、高さ及び周期（ピッチ）が異なる鋸歯状回折構造が設けられている。より詳細には、内周部Ｒ２１に設けられる鋸歯状回折構造の深さＨＡは、波長λ₁の光の入射時に＋１次回折光の回折効率が最大となる深さである。一方、外周部Ｒ２２に設けられた鋸歯状回折構造の深さＨＢは、波長λ₁の光の使用時に＋２次回折光の回折効率が最大となる深さである。

図１に示す回折構造は、内周部Ｒ２１及び外周部Ｒ２２の境界（図中の一点鎖線）近傍における接続方法に特徴がある。本実施の形態では、内周部Ｒ２１に設けられる鋸歯状回折構造の凹凸の中間レベルを通過する曲面Ｍ２１１と、外周部Ｒ２２に設けられる鋸歯状回折構造の凹凸の中間レベルを通過する曲面Ｍ２１２とが段差なく接続されている。ここで、回折構造の凹凸の中間レベルとは、回折構造の凹凸を構成する凸条の上端部を含む包絡面と、回折構造の凹凸を構成する溝の最深部を含む包絡面との中間にある仮想面の位置を意味する。この回折構造の凹凸の中間レベルは、図１に示す断面上において、鋸歯状回折構造の輪郭を構成する、のこぎり波の振幅の中心を結んだレベルであるとも言える。

曲面Ｍ２１１及び曲面Ｍ２１２は、それぞれ、内周部Ｒ２１の平均的な位相面、外周部Ｒ２２の平均的な位相面と等しいので、内周部Ｒ２１の鋸歯状回折構造と外周部Ｒ２２の鋸歯状回折構造とを上記のように接続すると、光源波長の変化や環境温度変化に起因する材料屈折が変化しても、内周部Ｒ２１と外周部Ｒ２２とで位相のずれは発生しない。したがって、光源波長や環境温度が変化した場合でも、回折効率の低下や収差の発生を抑制することができる。

本実施の形態では、曲面Ｍ２１１と曲面Ｍ２１２とを段差なく接続しているが、内周部Ｒ２１及び外周部Ｒ２２を通過する光の位相が揃えば良いので、境界部分に段差があっても良い。この場合、境界部分の段差高さは、次の条件を満たしていれば良い。

Δｄ＝ａ×λ₁／（ｎ₁―１） ・・・（１）
ここで、
Δｄ：内周部及び外周部の境界近傍において、内周部に形成される鋸歯状回折構造の凹凸の中間レベルを通過する曲面と、外周部に形成される鋸歯状回折構造の凹凸の中間レベルを通過する曲面とのレベル差、
ａ：整数、
λ₁：最短の設計波長、
ｎ₁：波長λ₁の光に対する対物レンズ素子形成材料の屈折率
である。

（実施の形態２）
図２は、実施の形態２に係る対物レンズ素子の概略構成図である。

実施の形態２に係る対物レンズ素子１４３は、ＢＤ規格とＤＶＤ規格とに互換性を有しており、波長λ₁（４００ｎｍ近傍）の青色光を厚み０．１ｍｍの基板を介して情報記録面上に集光してスポットを形成すると共に、波長λ₂（６８０ｎｍ近傍）の赤色光を厚み０．６ｍｍの基板を介して情報記録面上に集光してスポットを形成する。対物レンズ素子１４３の入射側の光学機能面は、回転対称軸（光軸）を含む内周部１３１Ｂと、内周部１３１Ｂを取り囲む輪帯状の外周部１３１Ｆとに分割されている。内周部１３１Ｂには、周期的な階段状段差よりなる階段状回折構造が設けられ、外周部１３１Ｆには鋸歯状回折構造が設けられている。内周部１３１Ｂの階段状回折構造は、４レベルの階段状段差を１周期とする周期構造である。内周部１３１Ｂの階段状回折構造の段差高さは、波長λ₁の青色光の使用時には＋１次回折光の回折効率が最大となり、波長λ₂の赤色光の使用時には−１次回折光の回折効率が最大となるように設計されている。外周部１３１Ｆの鋸歯型回折構造の段差深さは、波長λ₁の青色光の使用時には＋３次回折光の回折効率が最大となるように設計されている。

この例では、外周部１３１Ｆの鋸歯状回折構造の段差高さを、外周部１３１Ｆによって回折された＋３次回折光の回折効率が最大となるように設計しているが、この回折次数は＋３次以外でも良い。ただし、外周部１３１Ｆは、ＢＤ専用領域であるので、ＤＶＤ用の波長λ₂の光に対しては、実効ＮＡを調整するための開口制限機能を有することが好ましい。すなわち、外周部１３１Ｆに入射した波長λ₂の赤色光は、スポットに寄与することなく、かつ、迷光となって光検出器上に戻らないことが望まれる。ここでいう迷光とは、光ディスクの表面、記録面、光路上の光学部品、レンズ面等で反射して、光検出器上の信号光の強度に対して影響を与える光を指す。

図３は、図２に示される対物レンズ素子の内周部に設けられる階段状回折構造の説明図である。図３（ａ）は、対物レンズ素子の光学機能面に設けられる階段状段差構造の理論形状を表す。図３（ｂ）は、ＢＤ用の波長λ₁の光に対して与える位相の変化量を表し、図３（ｃ）は、ＤＶＤ用の波長λ₂の光に対して与える位相の変化量を表す。

図３（ａ）に示す階段状回折構造は、連続する４レベルの段差で１周期を構成する周期構造である。１段分の段差高さは、ＢＤ用の青色光に対して、その波長λ₁の約１．２５倍の光路差を付与するように設計されている。この階段状回折構造に波長λ₁の光が入射した場合、図３（ｂ）に示すように、段差高さが１段増加する毎に約０．２５波長分の位相差を与える。すなわち、波長λ₁の光に対する位相変調量は、段差１段あたり約１／２πとなる。このとき、＋１次回折光の回折効率が最も高くなる。一方、図３（ａ）に示す階段状回折構造に波長λ₂の光が入射した場合、段差１段は、波長λ₂の光に対して約０．７５波長分の光路差を与える。したがって、この階段状回折構造は、図３（ｃ）に示すように、段差高さが１段増加する毎に波長λ₂の光に対して約−０．２５波長分の位相差を与える。すなわち、波長λ₂の光に対する位相変調量は、段差１段あたり約−１／２πとなる。このように、図３（ａ）に示す階段状回折構造は、波長λ₁の光に対しては正のパワーを有する光学素子として機能し、波長λ₂の光に対しては負のパワーを有する光学素子として機能する。

図４は、図２に示される対物レンズ素子の内周部と外周部の境界近傍に設けられた回折構造を示す図である。図４（ａ）は、理解を容易にするために、ベース非球面を除去して平坦面上に回折構造のみを配置した図である。図４（ｂ）は、対物レンズ素子を構成するベース非球面上に回折構造を配置した図である。

図４において、曲面ＭＧ１（図中、簡略化して直線で表される）は、内周部１３１Ｂに設けた階段状回折構造の凹凸の中間レベルを通過する曲面であり、曲面ＭＧ２（図中、簡略化して直線で表される）は、外周部１３１Ｆに設けた鋸歯状回折構造の凹凸の中間レベルを通過する曲面である。ここで、階段状回折構造の凹凸の中間レベルを通過する曲面とは、最も高い段差の表面を含む包絡面と、最も低い段差の表面を含む包絡面との中間に位置する仮想的な曲面を意味する。

本実施の形態では、内周部１３１Ｂ及び外周部１３１Ｆの境界近傍において、曲面ＭＧ１と曲面ＭＧ２とが段差なく接続されている。このように回折構造を形成することによって、光源波長の変化や、温度変化によるレンズ材料の屈折率変化が生じた場合でも、内周部１３１Ｂを通過する光と外周部１３１Ｆを通過する光とで位相のずれが起こることが防止される。この結果、位相不整合による回折効率の低下を防止し、収差の発生を抑制することができる。

図５は、実施の形態２の変形例を示す図である。図５（ａ）は、理解を容易にするために、ベース非球面を除去して平坦面上に回折構造のみを配置した図である。図５（ｂ）は、対物レンズ素子を構成するベース非球面状に回折構造を配置した図である。

図５において、曲面ＭＧ２’は、外周部１３１Ｆに設けられる鋸歯状回折構造の凹凸の中間レベルを通過する曲面である。図５の例では、内周部１３１Ｂ及び外周部１３１Ｆの境界近傍において、曲面ＭＧ１と曲面ＭＧ２’とは、高さΔｄの段差を介して接続されている。

この段差の高さΔｄは、以下の条件を満足する。
Δｄ＝ａ×λ₁／（ｎ₁―１） ・・・（１）
ここで、
ａ：整数、
ｎ１：波長λ₁の光に対する対物レンズ素子形成材料の屈折率
である。

この条件を満たすように、曲面ＭＧ１と曲面ＭＧ２’との接続部分の段差の高さΔｄを設定すれば、光源波長や材料屈折率が変化した場合でも、内周部１３１Ｂを通過した光と外周部１３１Ｆを通過した光との間で位相の不一致は生じない。また、この高さΔｄを調節することで、対物レンズ素子全体として、光源波長及び温度変化に起因して発生する収差量を低減するための位相段差としての機能を与えることが可能となる。

図６は、実施の形態２に係る対物レンズ素子に設けられる回折構造のピッチ及び深さの説明図である。

実施の形態２に係る対物レンズ素子は、以下の条件を同時に満足することが好ましい。
３×Ｐ１ａｃ＜Ｐ１ａ＜５×Ｐ１ａｃ ・・・（２）
０．３×Ｐ１ａ／ｎ＜Ｐ２１／ｍ＜１．５×Ｐ１ａ／ｎ ・・・（３）
Ｐ２１＞２×Ｐ２ｂ ・・・（４）
ここで、
Ｐ１ａｃ：内周部の最も外側に位置する階段状回折構造を構成する最も外側の段のピッチ、
Ｐ１ａ：内周部の最も外側に位置する階段状回折構造のピッチ、
Ｐ２１：外周部の最も内側に位置する鋸歯状回折構造のピッチ、
Ｐ２ｂ：外周部の最も外側に位置する鋸歯状回折構造のピッチ、
ｍ：外周部に入射した波長λ₁の光に対する回折次数、
ｎ：内周部に入射した波長λ₁の光に対する回折次数
である。

条件（２）及び（３）は、内周部１３１Ｂの最も外側の階段状回折構造のピッチと、外周部１３１Ｆの最も内側の鋸歯状回折構造のピッチとの関係を規定する。Ｐ２１／ｍがＰ１ａ／ｎの０．３倍以下または１．５倍以上であって、条件（２）を満足しない場合、内周部１３１Ｂと外周部１３１Ｆとの間で、位相の変化度合いが急激に変わるため、波長変化や温度変化に起因して大きな収差が発生する。

また、条件（４）は、外周部１３１Ｆの最も外側の鋸歯状回折構造と、最も内側の鋸歯状回折構造とのピッチの関係を規定する。ＢＤの焦点深度は浅いため、色収差性能が必要であり、高次の収差を抑制することが好ましい。条件（４）を満足しない場合、ＢＤ専用領域である外周部１３１Ｆの色収差性能が低下してしまう。

実施の形態２に係る対物レンズ素子は、以下の条件を満足することが好ましい。
ｄｒ２／ｍ＜ｄｓ１＜ｄＡ１＜４×ｄｓ１ ・・・（５）
ここで、
ｄｒ２：外周部の鋸歯状回折構造の深さ、
ｄＡ１：内周部の階段状回折構造の深さ、
ｄｓ１：内周部の階段状回折構造を構成する段の深さ、
ｍ：外周部に入射した波長λ₁の光に対する回折次数
である。

条件（５）は、内周部１３１Ｂの階段状回折構造の深さと、外周部１３１Ｆの鋸歯状回折構造の深さとの関係を規定する。条件（５）を満足しない場合、ＢＤ用の波長の光の使用時における対物レンズ素子全体の回折効率が低下する。

図７は、実施の形態２に係る対物レンズ素子を備える光ピックアップ装置の概略構成図である。

レーザー光源１から出射された青色光ビーム６１は、３ビーム格子３、リレーレンズ２を透過し、ビームスプリッター４で反射された後、コリメートレンズ８により略平行光に変換される。コリメートレンズ８は、光軸方向に可動であり、光軸方向に移動することによって光ディスク９の基材厚の誤差や情報記録面毎の基材厚の差に起因する球面収差を補正する。コリメートレンズ８を透過した青色光ビーム６１は、１／４波長板５を透過し、立ち上げミラー１２によって反射され、対物レンズ素子１４３に入射し、光ディスク９の情報記録面上に集光されて良好なスポットを形成する。光ディスク９の情報記録面によって反射された青色光ビーム６１は、再び対物レンズ素子１４３を透過し、立ち上げミラー１２によって反射され、１／４波長板５、コリメートレンズ８、ビームスプリッター４を順に透過する。ビームスプリッター４から出射された青色光ビーム６１は、ビームスプリッター１６によって反射され、検出レンズ３２によって光検出器３３上に集光され、光信号として検出される。

レーザー光源２０から出射された赤色光ビーム６２は、３ビーム格子２２、ビームスプリッター１６、ビームスプリッター４を透過し、コリメートレンズ８に入射し、発散光に変換される。このコリメートレンズ８は光軸方向に移動することによって、赤色光ビーム６２の光束の平行度を調整できる。また、光ディスク９の使用時と同様に、コリメートレンズ８が光軸方向に移動することによって、ディスク基材厚の差や温度変化、波長変化等に起因する球面収差を補正する。コリメートレンズ８を透過した赤色光ビーム６２は、１／４波長板５を透過し、発散光として立ち上げミラー１２によって反射され、対物レンズ素子１４３に入射し、光ディスク１０の情報記録面上に集光され良好なスポットを形成する。光ディスク１０の情報記録面によって反射された赤色光ビーム６２は、再び対物レンズ素子１４３を透過し、立ち上げミラー１２によって反射し、１／４波長板５、コリメートレンズ８、ビームスプリッター４を順に透過する。ビームスプリッター４から出射された赤色光ビーム６２は、ビームスプリッター１６によって反射され、検出レンズ３２によって光検出器３３上に集光され、光信号として検出される。

図７に示した光ピックアップ装置は、実施の形態２に係る対物レンズ素子１４３を備えるので、光源波長が変化したり、温度変化によって対物レンズ素子１４３の形成材料の屈折率が変化したりした場合でも、回折効率の低下や収差の発生が抑制され、安定した集光スポットの形成が可能となる。

（実施の形態３）
図８は、実施の形態３係る対物レンズ素子の概略構成図である。

実施の形態３に係る対物レンズ素子１６３は、ＢＤ規格とＤＶＤ規格とＣＤ規格とに互換性を有しており、波長λ₁（４００ｎｍ近傍）の青色光を厚み０．１ｍｍの基板を介して情報記録面上に集光してスポットを形成し、波長λ₂（６８０ｎｍ近傍）の赤色光を厚み０．６ｍｍの基板を介して情報記録面上に集光してスポットを形成し、波長λ₃（７８０ｎｍ近傍）の赤外光を厚み１．２ｍｍの基板を介して情報記録面上に集光してスポットを形成する。

対物レンズ素子１６３の入射側の光学機能面は、対称軸（光軸）を中心とする３つの領域、すなわち、対称軸を含む内周部１５１Ｂと、内周部１５１Ｂを取り囲む輪帯状の中間部１５１Ｍと、中間部１５１Ｍを取り囲む輪帯状の外周部１５１Ｆとに分割されている。内周部１５１Ｂには、階段状回折構造が設けられ、中間部１５１Ｍには、内周部１５１Ｂに設けられているものとは異なる階段状回折構造が設けられ、外周部１５１Ｆには、鋸歯状回折構造が設けられている。

内周部１５１Ｂは、ＢＤ、ＤＶＤ、ＣＤ用の３波長の光で共用される領域である。内周部１５１Ｂに設けられる階段状回折構造は、１段ずつ単調に高さが増加する８レベルの段差で１周期を構成する周期構造である。内周部１５１Ｂの階段状回折構造の段差高さは、波長λ₁の青色光の使用時には＋２次回折光の回折効率が最大となり、波長λ₂の赤色光の使用時には−２次回折光の回折効率が最大となり、波長λ₃の赤外光の使用時には−３次回折光の回折効率が最大となるように設計されている。内周部１５１Ｂに設ける階段状回折構造の１周期は、必ずしも８レベルの段差から構成されている必要はなく、５、６、７、９レベルのいずれかの段差で構成されていても良い。

中間部１５１Ｍは、ＢＤ及びＤＶＤ用の２波長の光で共用される領域である。中間部１５１Ｍに設けられる階段状回折構造は、１段ずつ単調に高さが増加する４レベルの段差で１周期を構成する周期構造である。中間部１５１Ｍの階段状回折構造の段差高さは、波長λ₁の青色光の使用時には＋１次回折光の回折効率が最大となり、波長λ₂の赤色光の使用時には−１次回折光の回折効率が最大となるように設計されている。中間部１５１Ｍに入射したＣＤ用の赤外光ビームは、スポットに寄与せず、かつ、迷光となって光検出器に入ることなく、散乱する。すなわち、ＣＤ用の波長λ₃の光に対して、中間部１５１Ｍは、開口制限機能を発揮する。中間部１５１Ｍに設ける階段状回折構造の１周期は、必ずしも４レベルの段差で構成されている必要はなく、４以外のレベル数の段差で構成されていても良い。

外周部１５１Ｆに設けられる鋸歯状回折構造の高さは、ＢＤ用の波長λ₁の光の使用時に＋３次回折光の回折効率が最大となるように設計されている。回折効率が最大となる回折次数は＋３次以外でも良い。ただし、外周部１５１Ｆは、ＢＤ専用領域であって、ＤＶＤ用の波長λ₂の光及びＣＤ用の波長λ₃の光に対しては、実効ＮＡを調整するための開口制限機能を有することが好ましい。すなわち、外周部１５１Ｆに入射した波長λ₂の赤色光及び波長λ₃の赤外光は、スポットに寄与することなく、かつ、迷光となって光検出器上に戻らないことが望まれる。ここでいう迷光とは、光ディスクの表面、記録面、光路上の光学部品、レンズ面等で反射して、光検出器上の信号光の強度に対して影響を与える光を指す。

図９は、図８に示される対物レンズ素子の内周部に設けられる階段状回折構造の説明図である。図９（ａ）は、対物レンズ素子の光学機能面に設けられる階段状段差構造の理論形状を表す。図９（ｂ）は、ＢＤ用の波長λ₁の光に対して与える位相の変化量を表し、図９（ｃ）は、ＤＶＤ用の波長λ₂の光に対して与える位相の変化量を表し、図９（ｄ）は、ＣＤ用の波長λ₃の光に対して与える位相の変化量を表す。

図９（ａ）に示す階段状回折構造は、高さが１段分ずつ単調に増加する８レベルの段差で１周期を構成する周期構造である。１段分の段差高さは、ＢＤ用の青色光に対して、その波長λ₁の約１．２５倍の光路差を付与するように設計されている。この階段状回折構造に波長λ₁の光が入射した場合、段差高さが１段増加する毎に波長λ₁の光に対して約０．２５波長分の位相差を与える。すなわち、波長λ₁の光に対する位相変調量は、段差１段あたり約１／２πとなる。１周期ｐ１が８レベルで構成されているため、図９（ｂ）に示すように、図９（ａ）の階段状回折構造は、４レベルの段差で構成される周期ｐ０の２周期分とみなすことができる。したがって、ＢＤ用の波長λ₁の光の使用時には、＋２次回折光の回折効率が最大となる。

ＤＶＤ用の波長λ₂の光が入射した場合、段差１段が波長λ₂の光に対して与える光路差は約０．７５波長となる。したがって、この階段状段差構造は、段差高さが１段増加する毎に波長λ₂の光に対して約−０．２５波長分の位相差を与える。すなわち、波長λ₂の光に対する位相変調量は、段差１段あたり約−１／２πとなる。１周期ｐ１が８レベルで構成されているため、図９（ｃ）に示すように、図９（ａ）の階段状回折構造は、４レベルの段差で構成される周期ｐ０の２周期分とみなすことができる。したがって、ＤＶＤ用の波長λ₂の光の使用時には、−２次回折光の回折効率が最大となる。

ＣＤ用の波長λ₃の光が入射した場合、段差１段が波長λ₃の光に与える光路差は約０．６７５波長となる。したがって、この階段状段差構造は、段差高さが１段増加する毎に波長λ₃の光に対して約−０．３７５波長分の位相差を与える。１周期ｐ１が８レベルで構成されているため、図９（ｄ）に示すように、図９（ａ）の階段状回折構造は、階段状の段差が３箇所にある構造と同様に機能し、−３次回折光の回折効率が最大となる。

このように、図９（ａ）に示す階段状回折構造は、波長λ₁の光に対しては正のパワーを有する光学素子として機能し、波長λ₂及びλ₃の光に対しては負のパワーを有する光学素子として機能する。

図１０は、図８に示される対物レンズ素子の内周部と中間部の境界近傍に設けられた回折構造を示す図である。図１０（ａ）は、理解を容易にするために、ベース非球面を除去して平坦面上に回折構造のみを配置した図である。図１０（ｂ）は、対物レンズ素子を構成するベース非球面上に回折構造を配置した図である。

図１０において、曲面ＬＧ０（図中、簡略化して直線で表される）は、内周部１５１Ｂに設けた階段状回折構造の凹凸の中間レベルを通過する曲面であり、曲面ＬＧ１（図中、簡略化して直線で表される）は、中間部１５１Ｍに設けた階段状回折構造の凹凸の中間レベルを通過する曲面である。

本実施の形態では、内周部１５１Ｂ及び中間部１５１Ｍの境界近傍において、曲面ＬＧ０と曲面ＬＧ１とが段差なく接続されている。このように回折構造を形成することによって、光源波長の変化や、温度変化によるレンズ材料の屈折率変化が生じた場合でも、内周部１５１Ｂを通過する光と中間部１５１Ｍを通過する光とで位相のずれが起こることが防止される。この結果、位相不整合による回折効率の低下を防止し、収差の発生を抑制することができる。

図１０には示さないが、中間部１５１Ｍと外周部１５１Ｆの境界近傍において、中間部１５１Ｍに設ける階段状段差構造と、外周部１５１Ｆに設ける鋸歯状回折構造とが同様に接続される。この接続方法については、実施の形態２で説明した通りであるので、ここでの繰り返しの説明は省略する。

図１１は、実施の形態３の変形例を示す図である。図１１（ａ）は、理解を容易にするために、ベース非球面を除去して平坦面上に回折構造のみを配置した図である。図１１（ｂ）は、対物レンズ素子を構成するベース非球面上に回折構造を配置した図である。

図１１において、曲面ＬＧ１’は、中間部１５１Ｍに設けられる階段状回折構造の凹凸の中間レベルを通過する曲面である。図１１の例では、内周部１５１Ｂ及び中間部１５１Ｍの境界近傍において、曲面ＬＧ０と曲面ＬＧ１’とは、高さΔｄ₁の段差を介して接続されている。

この段差の高さΔｄ₁は、以下の条件を満足する。
Δｄ₁＝ａ×λ₁／（ｎ₁−１） ・・・（６）
Δｄ₁＝ｂ×λ₂／（ｎ₂−１） ・・・（７）
ここで、
ａ：整数、
ｂ：整数、
ｎ₁：波長λ₁の光に対する対物レンズ素子形成材料の屈折率、
ｎ₂：波長λ₂の光に対する対物レンズ素子形成材料の屈折率
である。

これらの条件は、曲面ＬＧ０と曲面ＬＧ１’との接続部分の段差の高さが、ＢＤ用の光の波長λ₁の整数倍、かつ、ＤＶＤ用の光の波長λ₂の整数倍であることを意味する。波長λ₁及びλ₂の光はいずれも、内周部１５１Ｂ及び中間部１５１Ｍの境界を跨いで両方に入射するため、内周部１５１Ｂを透過した光と中間部１５１Ｍを透過した光との間に位相差が生じないように段差の高さΔｄ₁が設定される。ここで、上記２式をｂについて解くと次の通りになる。
ｂ＝ａ×λ₁／λ₂×（ｎ₂−１）／（ｎ₁−１）
波長毎の屈折率変化のオーダーはそれほど大きくなく、（ｎ₂−１）／（ｎ₁−１）の値は１とみなすことができ、ｂ≒ａ×λ₁／λ₂と近似できる。実際のｂの値としては、こａ×λ₁／λ₂に最も近い整数を選べば良い。具体例として、λ₁が４０８ｎｍ、λ₂が６５８ｎｍの場合、ａ及びｂの組として、（ａ，ｂ）＝（５，３），（１０，６），（１５，９），・・・を使用できる。すなわち、ａ＝５ｍ、ｂ＝３ｍ（ｍは、０以外の整数）を満足すれば良い。

また、中間部１５１Ｍに設けた階段状回折構造の凹凸の中間レベルを通過する曲面ＬＧ１’と、外周部１５１Ｆに設けた鋸歯状回折構造の凹凸の中間レベルを通過する曲面（図示せず）とを、高さΔｄ₂の段差で接続する場合、この高さΔｄ₂は、以下の条件を満足する。
Δｄ₂＝ｃ×λ₁／（ｎ₂−１） ・・・（８）
ここで、
ｃ：整数、
ｎ₂：波長λ₂の光に対する対物レンズ素子形成材料の屈折率
である。
この条件を満足することにより、実施の形態２で説明したように、中間部１５１Ｍを透過した光と外周部１５１Ｆを透過した光との位相の不一致が生じず、回折効率の低下や収差の発生を抑制できる。

図１２は、実施の形態３に係る対物レンズ素子に設けられる回折構造のピッチ及び深さの説明図である。

実施の形態３に係る対物レンズ素子は、以下の条件を同時に満足することが好ましい。
３×Ｐ２ａｃ＜Ｐ２ａ＜５×Ｐ２ａｃ ・・・（９）
０．３×Ｐ２ａ／ｎ＜Ｐ３１／ｍ＜１．５×Ｐ２ａ／ｎ ・・・（１０）
Ｐ３１＞２×Ｐ３ｂ ・・・（１１）
ここで、
Ｐ２ａｃ：中間部の最も外側に位置する階段状回折構造を構成する最も外側の段のピッチ、
Ｐ２ａ：中間部の最も外側に位置する階段状回折構造のピッチ、
Ｐ３１：外周部の最も内側に位置する鋸歯状回折構造のピッチ、
Ｐ３ｂ：外周部の最も外側に位置する鋸歯状回折構造のピッチ、
ｍ：外周部に入射した波長λ₁の光に対する回折次数、
ｎ：中間部に入射した波長λ₁の光に対する回折次数
である。

条件（９）及び（１０）は、中間部１５１Ｍの最も外側の階段状回折構造のピッチと、外周部１５１Ｆの最も内側の鋸歯状回折構造のピッチとの関係を規定する。Ｐ３１／ｍがＰ２ａ／ｎの０．３倍以下または１．５倍以上であって、条件（２）を満足しない場合、中間部１５１Ｍと外周部１５１Ｆとの間で、位相の変化度合いが急激に変わるため、波長変化や温度変化に起因して大きな収差が発生する。

また、条件（１１）は、外周部１５１Ｆの最も外側の鋸歯状回折構造と、最も内側の鋸歯状回折構造とのピッチの関係を規定する。ＢＤの焦点深度は浅いため、色収差性能が必要であり、高次の収差を抑制することが好ましい。条件（１１）を満足しない場合、ＢＤ専用領域である外周部１５１Ｆの色収差性能が低下してしまう。

実施の形態３に係る対物レンズ素子は、以下の条件を満足することが好ましい。
ｄｒ３／ｍ＜ｄｓ２＜ｄＡ２＜４×ｄｓ２ ・・・（１２）
ここで、
ｄｒ３：外周部の鋸歯状回折構造の深さ、
ｄＡ２：中間部の階段状回折構造の深さ、
ｄｓ２：中間部の階段状回折構造を構成する段の深さ、
ｍ：外周部に入射した波長λ₁の光に対する回折次数
である。

条件（５）は、内周部１３１Ｂの階段状回折構造の深さと、外周部１３１Ｆの鋸歯状回折構造の深さとの関係を規定する。条件（５）を満足しない場合、ＢＤ用の波長の光の使用時における対物レンズ素子全体の回折効率が低下する。

図１３は、実施の形態３に係る対物レンズ素子を備える光ピックアップ装置の概略構成図である。

レーザー光源１から出射された青色光ビーム６１は、３ビーム格子３、リレーレンズ２を透過し、ビームスプリッター４で反射された後、コリメートレンズ８により略平行光に変換される。コリメートレンズ８は、光軸方向に可動であり、光軸方向に移動することによって光ディスクの基材厚の誤差や情報記録面毎の基材厚の差に起因する球面収差を補正する。コリメートレンズ８を透過した青色光ビーム６１は、１／４波長板５を透過し、立ち上げミラー１２によって反射され、対物レンズ素子１６３に入射し、光ディスク９の情報記録面上に集光されて良好なスポットを形成する。光ディスク９の情報記録面によって反射された青色光ビーム６１は、再び対物レンズ素子１６３を透過し、立ち上げミラー１２によって反射され、１／４波長板５、コリメートレンズ８、ビームスプリッター４を順に透過する。ビームスプリッター４から出射された青色光ビーム６１は、ビームスプリッター１６によって反射され、検出レンズ３２によって光検出器３３上に集光され、光信号として検出される。

本実施の形態に係るレーザー光源は、赤色光と赤外光を選択的に出射する２波長レーザー光源である。レーザー光源２０から出射された赤色光ビーム６２は、３ビーム格子２２、ビームスプリッター１６、ビームスプリッター４を透過し、コリメートレンズ８に入射し、発散光に変換される。このコリメートレンズ８は光軸方向に移動することによって、赤色光ビーム６２の光束の平行度を調整できる。また、光ディスク９の使用時と同様に、コリメートレンズ８が光軸方向に移動することによって、ディスク基材厚の差や温度変化、波長変化等に起因する球面収差を補正する。コリメートレンズ８を透過した赤色光ビーム６２は、１／４波長板５を透過し、発散光として立ち上げミラー１２によって反射され、対物レンズ素子１６３に入射し、光ディスク１０の情報記録面上に集光され良好なスポットを形成する。光ディスク１０の情報記録面によって反射された赤色光ビーム６２は、再び対物レンズ素子１６３を透過し、立ち上げミラー１２によって反射し、１／４波長板５、コリメートレンズ８、ビームスプリッター４を順に透過する。ビームスプリッター４から出射された赤色光ビーム６２は、ビームスプリッター１６によって反射され、検出レンズ３２によって光検出器３３上に集光され、光信号として検出される。

レーザー光源２０から出射された赤外光ビーム６３は、３ビーム格子２２、ビームスプリッター１６、ビームスプリッター４を透過し、コリメートレンズ８に入射し、発散光に変換される。コリメートレンズ８から出射された赤外光ビーム６３は、１／４波長板５を透過し、立ち上げミラー１２によって反射され対物レンズ１６３素子に入射し、光ディスク１１の情報記録面上に集光されて良好なスポットを形成する。光ディスク１１の情報記録面上で反射された赤外光ビーム６３は、再び対物レンズ素子１６３を透過し、立ち上げミラー１２によって反射され、１／４波長板５、コリメートレンズ８、ビームスプリッター４を順に透過しビームスプリッター１６で反射された後、検出レンズ３２によって集光され、光検出器３３で光信号として検出される。

図１３に示した光ピックアップ装置は、実施の形態３に係る対物レンズ素子１６３を備えるので、光源波長が変化したり、温度変化によって対物レンズ素子１６３の形成材料の屈折率が変化したりした場合でも、回折効率の低下や収差の発生が抑制され、安定した集光スポットの形成が可能となる。

尚、上記の実施の形態１〜３では、対物レンズ素子上に設けた回折構造を例として説明したが、屈折のパワーを有しない平板等の表面に、種類の異なる回折構造を境界を接して設ける場合にも、本発明は同様に適用できる。より詳細に説明すると、平面状の光学機能面を、回転対称軸を中心とする同心円状の複数の領域に分割し、隣接する領域のそれぞれに実施の形態１〜３で説明した階段状回折構造または鋸歯状回折構造を設け、それぞれの領域に設けた回折構造の凹凸の中間レベルを通過する面を段差なく接続すれば良い。あるいは、隣接する領域の回折構造の中間レベルを通過する面同士を段差を介して接続する場合、この段差を最短の設計波長の整数倍に設定すれば良い。

以下、本発明の数値実施例を、コンストラクションデータ、収差図等を挙げてさらに具体的に説明する。尚、各数値実施例において、非球面係数が与えられた面は、非球面形状の屈折光学面又は非球面と等価な屈折作用を有する面（例えば回折面等）であることを示す。非球面の面形状は、以下の数１で定義される。

ここで、
Ｘ：光軸からの高さがｈである非球面状の点の非球面頂点の接平面からの距離、
ｈ：光軸からの高さ、
Ｃ_j：レンズ第ｊ面の非球面頂点の曲率（Ｃ_j＝１／Ｒ_j）、
ｋ_j：レンズ第ｊ面の円錐定数、
Ａ_j,n：レンズ第ｊ面のｎ次の非球面定数
である。

また、光学面に付加された回折構造によって生じる位相差は、以下の数２で与えられる。

ここで、
φ（ｈ）：位相関数
ｈ：光軸からの高さ
Ｐ_j,m：レンズ第ｊ面の２ｍ次の位相関数係数

（数値実施例１）
数値実施例１は、実施の形態２に対応する。数値実施例１に係る対物レンズ素子の第１面は、対称軸を含む内周部と、内周部を取り囲む外周部とに分割されている。第１面の内周部には、階段状回折構造が設けられ、外周部には、鋸歯状回折構造が設けられている。第２面も、内周部と外周部に分割されており、それぞれには異なる非球面が設けられている。数値実施例１に係る対物レンズ素子は、ＢＤ／ＤＶＤ互換レンズである。ＢＤに関する設計値は、波長４０８ｎｍ、焦点距離２．２４ｍｍ、開口数（ＮＡ）０．８６、情報記録媒体の保護層厚０．１ｍｍである。ＤＶＤに関する設計値は、波長６５８ｎｍ、焦点距離１．７４ｍｍ、ＮＡ０．６、情報記録媒体の保護層厚０．６ｍｍである。

表１及び２に数値実施例１に係る対物レンズ素子のコンストラクションデータを示す。

図１４は、数値実施例１に係る対物レンズ素子の光路図である。図１５は、数値実施例１に係る対物レンズ素子に平行光が入射した場合の球面収差を示すグラフである。図１６は、数値実施例１に係る対物レンズ素子に平行光が入射した場合の正弦条件を示すグラフである。図１５及び１６より、収差が良好に補正されていることが把握される。

表３に、第１面の内周部に設けた階段状段差構造の輪帯周期と、各輪帯に配置される段差の周期を示す。

数値実施例１の内周部では、連続する４レベルの階段状段差により１つの輪帯周期が構成されている。表３における輪帯周期とは、図４（ｂ）の矢印で示すように、半径方向（光軸と直交する方向）の輪帯の幅を指す。内周部には、対物レンズ素子の光軸から外周側へと順に、第１輪帯、第２輪帯、第３輪帯、…、第２９輪帯が設けられている。また、段差周期とは、図４（ｂ）の矢印で示すように、各輪帯に設けられる段差の半径方向（光軸と直交する方向）の幅を指す。各輪帯内において、光軸側から外方側に向へと順に、第１段差、第２段差、第３段差、第４段差とする。

表４に、第１面の外周部に設けた鋸歯状回折構造の輪帯周期を示す。

表４における輪帯周期は、図４（ｂ）の矢印で示すように、半径方向（光軸と直交する方向の）の輪帯の幅を指す。より詳細には、輪帯周期とは、図４（ｂ）に示す断面上において、レンズ有効面の輪郭線（光軸と平行な段差の壁面を除く）と、曲面ＭＧ２を表す一点鎖線との交点間（隣接する交点間）の距離を表す。外周部には、対物レンズ素子の光軸から外周側へと順に、第１輪帯、第２輪帯、第３輪帯、…、第９輪帯が設けられている。

表５に、第１面の内周部に設けた階段状回折構造の段差高さを示す。また、階段状回折構造の１周期を構成する第１段差〜第３段差の高さは、ＢＤの設計波長の光に対して１．２５波長分の位相差を付与するように設計され、第４段差の高さは、逆方向に３．７５波長分の位相差を付与するように設計されている。

表６に、第１面の外周部に設けた鋸歯状回折構造の段差高さを示す。また、鋸歯状回折構造の段差高さは、ＢＤの設計波長の光に対して３波長分の位相差を付与するように設計されており、＋３次回折光を使用する。

（数値実施例２）
数値実施例２は、実施の形態３に対応する。数値実施例２に係る対物レンズ素子の第１面は、対称軸を含む内周部と、内周部を取り囲む中間部と、中間部を取り囲む外周部とに分割されている。第１面の内周部には、階段状回折構造が設けられている。中間部には、内周部とは異なる階段状回折構造が設けられている。外周部には、鋸歯状回折構造が設けられている。第２面は非球面からなる。数値実施例２に係る対物レンズ素子は、ＢＤ／ＤＶＤ／ＣＤ互換レンズである。ＢＤに関する設計値は、波長４０８ｎｍ、焦点距離１．８ｍｍ、開口数（ＮＡ）０．８６、情報記録媒体の保護層厚８７．５μｍである。ＤＶＤに関する設計値は、波長６５８ｎｍ、焦点距離２．０ｍｍ、ＮＡ０．６、情報記録媒体の保護層厚０．６ｍｍである。ＣＤに関する設計値は、波長７８５ｎｍ、焦点距離２．１ｍｍ、ＮＡ０．４７、情報記録媒体の保護層厚１．２ｍｍである。

表７及び８に数値実施例２に係る対物レンズ素子のコンストラクションデータを示す。

図１７は、数値実施例２に係る対物レンズ素子の光路図である。図１８は、数値実施例２に係る対物レンズ素子に平行光が入射した場合の球面収差を示すグラフである。図１９は、数値実施例２に係る対物レンズ素子に平行光が入射した場合の正弦条件を示すグラフである。図１８及び１９より、収差が良好に補正されていることが把握される。

表９に、第１面の内周部に設けた階段状段差構造の輪帯周期と、各輪帯に配置される段差の周期を示す。

数値実施例２の内周部では、連続する８レベルの階段状段差により１つの輪帯周期が構成されている。表９の輪帯周期とは、図１０（ｂ）の矢印で示すように、半径方向（光軸と直交する方向）における輪帯の幅を指す。内周部には、対物レンズ素子の光軸から外周側へと順に、第１輪帯、第２輪帯、第３輪帯、…、第１６輪帯が設けられている。また、段差周期とは、図１０（ｂ）の矢印で示すように、各輪帯に設けられる段差の半径方向（光軸と直交する方向）の幅を指す。各輪帯内において、光軸側から外方側に向へと順に、第１段差、第２段差、第３段差、…、第８段差とする。

表１０に、第１面の中間部に設けた階段状段差構造の輪帯周期を示す。

数値実施例２の中間部では、連続する４レベルの階段状段差により１つの輪帯周期が構成されている。表１０の輪帯周期とは、図１０（ｂ）の矢印で示すように、半径方向（光軸と直交する方向）における輪帯の幅を指す。内周部には、対物レンズ素子の光軸から外周側へと順に、第１輪帯、第２輪帯、第３輪帯、…、第１１輪帯が設けられている。また、段差周期とは、図１０（ｂ）の矢印で示すように、各輪帯に設けられる段差の半径方向（光軸と直交する方向）の幅を指す。各輪帯内において、光軸側から外方側に向へと順に、第１段差、第２段差、第３段差、第４段差とする。

表１１に、第１面の外周部に設けた鋸歯状回折構造の輪帯周期を示す。

表１１における輪帯周期は、数値実施例１と同様に定義され、図４（ｂ）の矢印で示した、半径方向（光軸と直交する方向）における輪帯の幅を指す。外周部には、対物レンズ素子の光軸から外周側へと順に、第１輪帯、第２輪帯、第３輪帯、…、第３５輪帯が設けられている。また、鋸歯状回折構造の段差高さは、ＢＤの設計波長の光に対して３波長分の位相差を付与するように設計されており、＋３次回折光を使用する。

表１２に、第１面の内周部に設けた階段状回折構造の段差高さを示す。

表１３に、第１面の中間部に設けた階段状回折構造の段差高さを示す。

表１４に、第１面の外周部に設けた鋸歯状回折構造の段差高さを示す。

表１５に、数値実施例１及び２に係る対物レンズ素子の条件値を示す。

本発明は、波長の異なる光を用いる複数の規格の光ディスクに対して、情報の記録・再生・消去の少なくとも１つを行うために用いられる対物レンズ素子及びこれを用いた光ピックアップ装置に利用できる。

１ レーザー光源
７ 光検出器
９ 光ディスク
１０ 光ディスク
１１ 光ディスク
２０ レーザー光源
３３ 光検出器
１４３ 対物レンズ素子
１６３ 対物レンズ素子

Claims (9)

1. 入射側及び出射側に光学機能面を備え、波長λ₁の第１の入射光束を、基板厚ｔ₁を持つ基板を介して集光しスポットを形成するとともに、前記波長λ₁より長い波長λ₂の第２の入射光束を、前記基板厚ｔ₁より大きい基板厚ｔ₂を持つ基板を介して集光しスポットを形成する対物レンズ素子であって、
   前記光学機能面のうち少なくとも一方は、回転対称軸を含み実質的にスポット形成に寄与する前記第１及び第２の入射光束のいずれもが透過する内周部と、前記内周部を囲む輪帯状領域であって実質的にスポット形成に寄与する前記第１の入射光束のみが透過する外周部とに分割されており、
   前記内周部及び外周部には、複数の鋸歯状回折構造が設けられ、
   前記内周部と前記外周部との境界近傍において、前記内周部に形成される鋸歯状回折構造の凹凸の中間レベルを通過する曲面と、前記外周部に形成される鋸歯状回折構造の凹凸の中間レベルを通過する曲面とのレベル差Δｄが以下の条件を満足する、対物レンズ素子：
   Δｄ＝a×λ₁／（ｎ₁―１）
   ここで、
   a：整数、
   ｎ₁：波長λ₁の光に対する対物レンズ素子形成材料の屈折率
   である。
2. 入射側及び出射側に光学機能面を備え、波長λ₁の第１の入射光束を、基板厚ｔ₁を持つ基板を介して集光しスポットを形成するとともに、前記波長λ₁より長い波長λ₂の第２の入射光束を、前記基板厚ｔ₁より大きい基板厚ｔ₂を持つ基板を介して集光しスポットを形成する対物レンズ素子であって、
   前記光学機能面のうち少なくとも一方は、回転対称軸を含み実質的にスポット形成に寄与する前記第１及び第２の入射光束のいずれもが透過する内周部と、前記内周部を囲む輪帯状領域であって実質的にスポット形成に寄与する前記第１の入射光束のみが透過する外周部とに分割されており、
   前記内周部には、複数の階段状回折構造が設けられ、
   前記外周部には、複数の鋸歯状回折構造が設けられ、
   前記内周部と前記外周部との境界近傍において、前記内周部に形成される階段状回折構造の凹凸の中間レベルを通過する曲面と、前記外周部に形成される鋸歯状回折構造の凹凸の中間レベルを通過する曲面とのレベル差Δｄが以下の条件を満足する、対物レンズ素子：
   Δｄ＝a×λ₁／（ｎ₁―１）
   ここで、
   a：整数、
   ｎ₁：波長λ₁の光に対する対物レンズ素子形成材料の屈折率
   である。
3. 以下の条件を満足する、請求項２に記載の対物レンズ素子：
   ３×Ｐ１ａｃ＜Ｐ１ａ＜５×Ｐ１ａｃ
   ０．３×Ｐ１ａ／ｎ＜Ｐ２１／ｍ＜１．５×Ｐ１ａ／ｎ
   Ｐ２１＞２×Ｐ２ｂ
   ここで、
   Ｐ１ａｃ：内周部の最も外側に位置する階段状回折構造を構成する最も外側の段のピッチ、
   Ｐ１ａ：内周部の最も外側に位置する階段状回折構造のピッチ、
   Ｐ２１：外周部の最も内側に位置する鋸歯状回折構造のピッチ、
   Ｐ２ｂ：外周部の最も外側に位置する鋸歯状回折構造のピッチ、
   ｍ：外周部に入射した波長λ₁の光に対する回折次数、
   ｎ：内周部に入射した波長λ₁の光に対する回折次数
   である。
4. 以下の条件を満足する、請求項２に記載の対物レンズ素子：
   ｄｒ２／ｍ＜ｄｓ１＜ｄＡ１＜４×ｄｓ１
   ここで、
   ｄｒ２：外周部の鋸歯状回折構造の深さ、
   ｄＡ１：内周部の階段状回折構造の深さ、
   ｄｓ１：内周部の階段状回折構造を構成する段の深さ、
   ｍ：外周部に入射した波長λ₁の光に対する回折次数
   である。
5. 入射側及び出射側に光学機能面を備え、波長λ₁の第１の入射光束を、基板厚ｔ₁を持つ基板を介して集光しスポットを形成するとともに、前記波長λ₁より長い波長λ₂の第２の入射光束を、前記基板厚ｔ₁より大きい基板厚ｔ₂を持つ基板を介して集光しスポットを形成する対物レンズ素子であって、
   前記光学機能面のうち少なくとも一方は、回転対称軸を含み実質的にスポット形成に寄与する前記第１及び第２の入射光束のいずれもが透過する内周部と、前記内周部を囲む輪帯状領域であって実質的にスポット形成に寄与する前記第１の入射光束のみが透過する外周部とに分割されており、
   前記内周部には、複数の階段状回折構造が設けられ、
   前記外周部には、前記内周部とは異なる複数の階段状回折構造が設けられ、
   前記内周部と前記外周部との境界近傍において、前記内周部に形成される階段状回折構造の凹凸の中間レベルを通過する曲面と、前記外周部に形成される階段状回折構造の凹凸の中間レベルを通過する曲面とのレベル差Δｄが以下の条件を満足する、対物レンズ素子：
   Δｄ＝a×λ₁／（ｎ₁―１）
   ここで、
   ａ：整数、
   ｎ₁：波長λ₁の光に対する対物レンズ素子形成材料の屈折率
   である。
6. 入射側及び出射側に光学機能面を備え、波長λ₁の第１の入射光束を、基板厚ｔ₁を持つ基板を介して集光しスポットを形成するとともに、前記波長λ₁より長い波長λ₂の第２の入射光束を、前記基板厚ｔ₁より大きい基板厚ｔ₂を持つ基板を介して集光しスポットを形成し、更に、前記波長λ₂より長い波長λ₃の第３の入射光束を、前記基板厚ｔ₂より大きい基板厚ｔ₃を持つ基板を介して集光しスポットを形成する対物レンズ素子であって、
   前記光学機能面のうち少なくとも一方は、回転対称軸を含み実質的にスポット形成に寄与する前記第１〜第３の入射光束のいずれもが透過する内周部と、前記内周部を囲む輪帯状領域であって実質的にスポット形成に寄与する前記第１及び第２の入射光束のみが透過する中間部と、前記中間部を囲む輪帯状領域であって実質的にスポット形成に寄与する前記第１の入射光束のみが透過する外周部とに分割されており、
   前記内周部には、複数の階段状回折構造が設けられ、
   前記中間部には、前記内周部とは異なる階段状回折構造が設けられ、
   前記外周部には、複数の鋸歯状回折構造が設けられ、
   前記内周部と前記中間部との境界近傍において、前記内周部に形成される階段状回折構造の凹凸の中間レベルを通過する曲面と、前記中間部に形成される階段状回折構造の凹凸の中間レベルを通過する曲面とのレベル差Δｄ₁と、前記内周部と前記中間部との境界近傍において、前記中間部に形成される階段状回折構造の凹凸の中間レベルを通過する曲面と、前記外周部に形成される鋸歯状回折構造の凹凸の中間レベルを通過する曲面とのレベル差Δｄ₂とが、以下の条件を満足する、対物レンズ素子：
   Δｄ₁＝ａ×λ₁／（ｎ₁―１）
   Δｄ₁＝ｂ×λ₂／（ｎ₂―１）
   Δｄ₂＝ｃ×λ₁／（ｎ₁―１）
   ここで、
   ａ：整数、
   ｂ：整数（ただし、ｂは、ａ×λ₁／λ₂に最も近い整数である）、
   ｃ：整数、
   ｎ₁：波長λ₁の光に対する対物レンズ素子形成材料の屈折率、
   ｎ₂：波長λ₂の光に対する対物レンズ素子形成材料の屈折率
   である。
7. 以下の条件を満足する、請求項６に記載の対物レンズ素子：
   ３×Ｐ２ａｃ＜Ｐ２ａ＜５×Ｐ２ａｃ
   ０．３×Ｐ２ａ／ｎ＜Ｐ３１／ｍ＜１．５×Ｐ２ａ／ｎ
   Ｐ３１＞２×Ｐ３ｂ
   ここで、
   Ｐ２ａｃ：中間部の最も外側に位置する階段状回折構造を構成する最も外側の段のピッチ、
   Ｐ２ａ：中間部の最も外側に位置する階段状回折構造のピッチ、
   Ｐ３１：外周部の最も内側に位置する鋸歯状回折構造のピッチ、
   Ｐ３ｂ：外周部の最も外側に位置する鋸歯状回折構造のピッチ、
   ｍ：外周部に入射した波長λ₁の光に対する回折次数、
   ｎ：中間部に入射した波長λ₁の光に対する回折次数
   である。
8. 以下の条件を満足する、請求項６に記載の対物レンズ素子：
   ｄｒ３／ｍ＜ｄｓ２＜ｄＡ２＜４×ｄｓ２
   ここで、
   ｄｒ３：外周部の鋸歯状回折構造の深さ、
   ｄＡ２：中間部の階段状回折構造の深さ、
   ｄｓ２：中間部の階段状回折構造を構成する段の深さ、
   ｍ：外周部に入射した波長λ₁の光に対する回折次数
   である。
9. 波長λ₁の第１の入射光束を、基板厚ｔ₁を持つ基板を介して集光しスポットを形成するとともに、前記波長λ₁より長い波長λ₂の第２の入射光束を、前記基板厚ｔ₁より大きい基板厚ｔ₂を持つ基板を介して集光しスポットを形成する光ピックアップ装置であって、
   前記波長λ₁の光束を出射する第１の光源と、
   前記波長λ₂の光束を出射する第２の光源と、
   請求項１〜８のいずれかに記載の対物レンズ素子と、
   光ディスクの情報記録媒体によって反射された光を検出する検出素子とを備える、光ピックアップ装置。

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